Пенициллины ( P , PCN или PEN ) представляют собой группу β-лактамных антибиотиков, первоначально полученных из плесневых грибов Penicillium , в основном P. chrysogenum и P. rubens . Большинство пенициллинов, используемых в клинической практике, синтезируются P. chrysogenum с использованием глубокой ферментации [2] и затем очищаются. [3] [4] Было обнаружено несколько природных пенициллинов, но только два очищенных соединения используются в клинической практике: пенициллин G ( для внутримышечного или внутривенного введения ) и пенициллин V (для приема внутрь). Пенициллины были одними из первых лекарств, которые оказались эффективными против многих бактериальных инфекций, вызываемых стафилококками и стрептококками . Они по-прежнему широко используются сегодня для лечения различных бактериальных инфекций, хотя многие типы бактерий выработали резистентность после интенсивного использования.
Десять процентов населения заявляют об аллергии на пенициллин , но поскольку частота положительных результатов кожных тестов уменьшается на 10% с каждым годом избегания, 90% этих пациентов в конечном итоге могут переносить пенициллин. Кроме того, те, у кого есть аллергия на пенициллин, обычно могут переносить цефалоспорины (еще одна группа β-лактамов), поскольку перекрестная реактивность иммуноглобулина E (IgE) составляет всего 3%. [5]
Пенициллин был открыт в 1928 году шотландским ученым Александром Флемингом как сырой экстракт P. rubens . [6] Студент Флеминга Сесил Джордж Пейн был первым, кто успешно использовал пенициллин для лечения глазной инфекции ( неонатального конъюнктивита ) в 1930 году. Очищенное соединение (пенициллин F) было выделено в 1940 году исследовательской группой под руководством Говарда Флори и Эрнста Бориса Чейна в Оксфордском университете. Флеминг впервые использовал очищенный пенициллин для лечения стрептококкового менингита в 1942 году. [7] Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1945 года разделили Чейн, Флеминг и Флори.
Некоторые полусинтетические пенициллины эффективны против более широкого спектра бактерий: к ним относятся антистафилококковые пенициллины , аминопенициллины и антисинегнойные пенициллины .
Термин «пенициллин» определяется как натуральный продукт плесени Penicillium с антимикробной активностью. [8] Он был придуман Александром Флемингом 7 марта 1929 года, когда он открыл антибактериальное свойство Penicillium rubens . [9] Флеминг объяснил в своей статье 1929 года в British Journal of Experimental Pathology , что «чтобы избежать повторения довольно громоздкой фразы «фильтрат плесневого бульона», будет использоваться название «пенициллин». [10] Таким образом, название относится к научному названию плесени, как описано Флемингом в его Нобелевской лекции в 1945 году:
Меня часто спрашивали, почему я придумал название «Пенициллин». Я просто следовал совершенно ортодоксальным линиям и придумал слово, которое объясняло, что вещество пенициллин было получено из растения рода Penicillium, так же как много лет назад слово « Digitalin » было придумано для вещества, полученного из растения Digitalis . [11]
В современном использовании термин пенициллин используется более широко для обозначения любого β-лактамного противомикробного препарата, который содержит тиазолидиновое кольцо, слитое с β-лактамным ядром, и может быть или не быть натуральным продуктом. [12] Как и большинство натуральных продуктов, пенициллин присутствует в плесени Penicillium в виде смеси активных компонентов ( гентамицин является еще одним примером натурального продукта, который представляет собой плохо определенную смесь активных компонентов). [8] Основные активные компоненты Penicillium перечислены в следующей таблице: [13] [14]
Другие второстепенные активные компоненты Penicillium включают пенициллин O , [20] [21] пенициллин U1 и пенициллин U6. Другие названные компоненты природного Penicillium , такие как пенициллин A, впоследствии были обнаружены не обладающими антибиотической активностью и химически не связаны с антибиотиками пенициллинами. [8]
Точный состав извлеченного пенициллина зависит от вида используемой плесени Penicillium и от питательной среды, используемой для культивирования плесени. [8] Исходный штамм Penicillium rubens Флеминга производит в основном пенициллин F, названный в честь Флеминга. Но пенициллин F нестабилен, его трудно выделить, и плесень производит его в небольших количествах. [8]
Основной коммерческий штамм Penicillium chrysogenum (штамм Peoria) продуцирует пенициллин G в качестве основного компонента, когда в качестве питательной среды используется кукурузный экстракт. [8] Когда в питательную среду добавляют феноксиэтанол или феноксиуксусную кислоту, плесень продуцирует пенициллин V в качестве основного пенициллина. [8]
6-Аминопенициллановая кислота (6-APA) — это соединение, полученное из пенициллина G. 6-APA содержит бета-лактамное ядро пенициллина G, но с удаленными боковыми цепями; 6-APA — полезный предшественник для производства других пенициллинов. Существует много полусинтетических пенициллинов, полученных из 6-APA, и они делятся на три группы: антистафилококковые пенициллины, пенициллины широкого спектра действия и антисинегнойные пенициллины. Все полусинтетические пенициллины называются пенициллинами, потому что все они в конечном итоге получены из пенициллина G.
Использование единиц для назначения пенициллина является исторической случайностью и в значительной степени устарело за пределами США. Поскольку оригинальный пенициллин представлял собой плохо определенную смесь активных соединений (аморфный желтый порошок), активность каждой партии пенициллина варьировалась от партии к партии. Поэтому было невозможно назначить 1 г пенициллина, поскольку активность 1 г пенициллина из одной партии отличалась бы от активности из другой партии. После производства каждая партия пенициллина должна была быть стандартизирована по известной единице пенициллина: каждый стеклянный флакон затем заполнялся требуемым количеством единиц. В 1940-х годах стандартным был флакон на 5000 Оксфордских единиц [24] , но в зависимости от партии мог содержать от 15 мг до 20 мг пенициллина. Позже стандартным стал флакон на 1 000 000 международных единиц, который мог содержать от 2,5 г до 3 г натурального пенициллина (смеси пенициллина I, II, III и IV и природных примесей). С появлением чистых препаратов пенициллина G (белый кристаллический порошок) стало мало оснований назначать пенициллин в единицах.
«Единица» пенициллина имела три предыдущих определения, и каждое определение выбиралось как приблизительно эквивалентное предыдущему.
Существует старая единица измерения пенициллина V, которая не эквивалентна текущей единице измерения пенициллина V. Причина в том, что FDA США ошибочно предположило, что эффективность пенициллина V такая же, как и у пенициллина G (моль в моль). На самом деле пенициллин V менее эффективен, чем пенициллин G, и текущая единица измерения пенициллина V отражает этот факт.
Аналогичный стандарт был установлен и для пенициллина К. [32]
Пенициллины состоят из отчетливого 4-членного бета-лактамного кольца, а также тиазолидного кольца и боковой цепи R. Главной отличительной чертой между вариантами внутри этого семейства является заместитель R.
Эта боковая цепь связана с остатком 6-аминопенициллановой кислоты и приводит к различиям в антимикробном спектре, стабильности и восприимчивости к бета-лактамазам каждого типа.
Пенициллин G (бензилпенициллин) был впервые получен из грибка рода Penicillium , который встречается в природе. Штамм грибка, используемый сегодня для производства пенициллина G, был создан с помощью генной инженерии для повышения выхода в процессе производства. Ни один из других природных пенициллинов (F, K, N, X, O, U1 или U6) в настоящее время не используется в клинической практике.
Пенициллин V (феноксиметилпенициллин) получают путем добавления прекурсора феноксиуксусной кислоты в среду, в которой культивируется генетически модифицированный штамм [ сомнительный – обсудить ] грибка пеницилла .
Существуют три основные группы других полусинтетических антибиотиков, родственных пенициллинам. Они синтезируются путем добавления различных боковых цепей к предшественнику 6 -APA , который выделяется из пенициллина G. Это антистафилококковые антибиотики, антибиотики широкого спектра действия и антисинегнойные антибиотики.
Антистафилококковые антибиотики так называются, потому что они устойчивы к расщеплению стафилококковой пенициллиназой . Поэтому их также называют пенициллиназоустойчивыми.
Эта группа антибиотиков называется «широкого спектра», поскольку они активны против широкого спектра грамотрицательных бактерий, таких как Escherichia coli и Salmonella typhi , для которых пенициллин не подходит. Однако резистентность у этих организмов в настоящее время является обычным явлением.
Существует много предшественников ампициллина. Это неактивные соединения, которые расщепляются в кишечнике, высвобождая ампициллин. Ни один из этих пролекарств ампициллина в настоящее время не используется:
Эпициллин — аминопенициллин, который никогда не находил широкого клинического применения.
Грамотрицательный вид Pseudomonas aeruginosa обладает естественной устойчивостью ко многим классам антибиотиков. В 1960-х и 1970-х годах было предпринято много попыток разработать антибиотики, которые были бы активны против видов Pseudomonas . В этой группе есть два химических класса: карбоксипенициллины и уреидопенициллины. Все они вводятся инъекционно: ни один из них нельзя принимать внутрь.
Термин «пенициллин», используемый сам по себе, может относиться к одному из двух химических соединений : пенициллину G или пенициллину V.
Пенициллин G разрушается под действием желудочной кислоты, поэтому его нельзя принимать внутрь, но можно вводить дозы до 2,4 г (намного выше, чем пенициллин V). Его вводят внутривенно или внутримышечно. Он может быть сформулирован как нерастворимая соль, и в настоящее время используются две такие формулы: прокаин пенициллин и бензатин бензилпенициллин . Когда необходимо поддерживать высокую концентрацию в крови, пенициллин G следует вводить с относительно частыми интервалами, поскольку он довольно быстро выводится из кровотока почками.
Пенициллин G лицензирован для использования при лечении септицемии , эмпиемы , пневмонии , перикардита , эндокардита и менингита, вызванных восприимчивыми штаммами стафилококков и стрептококков. Препарат также лицензирован для лечения сибирской язвы , актиномикоза , шейно-лицевых заболеваний, заболеваний органов грудной клетки и брюшной полости, клостридиальных инфекций , ботулизма , газовой гангрены (с сопутствующей хирургической обработкой и/или хирургическим вмешательством по показаниям), столбняка (в качестве дополнительной терапии к человеческому противостолбнячному иммуноглобулину), дифтерии (в качестве дополнительной терапии к антитоксину и для профилактики носительства), рожистого эндокардита, фузоспирохетоза (тяжелых инфекций ротоглотки, нижних дыхательных путей и области половых органов), листериозных инфекций, менингита, эндокардита, инфекций Pasteurella , включая бактериемию и менингит, лихорадки Хаверхилла , лихорадки от укусов крыс и диссеминированных гонококковых инфекций , менингококкового менингита и/или септицемии, вызванных пенициллин-чувствительными организмами, и сифилиса. [33]
Пенициллин V можно принимать внутрь, поскольку он относительно устойчив к желудочной кислоте. Дозы выше 500 мг не полностью эффективны из-за плохой абсорбции. Он используется при тех же бактериальных инфекциях, что и пенициллин G, и является наиболее широко используемой формой пенициллина. [34] Однако он не используется при таких заболеваниях, как эндокардит , при которых требуется высокий уровень пенициллина в крови.
Поскольку резистентность к пенициллину сейчас так распространена, другие антибиотики теперь являются предпочтительным выбором для лечения. Например, пенициллин раньше был лечением первой линии при инфекциях Neisseria gonorrhoeae и Neisseria meningitidis , но больше не рекомендуется для лечения этих инфекций. Устойчивость к пенициллину сейчас очень распространена у Staphylococcus aureus , что означает, что пенициллин не следует использовать для лечения инфекций, вызванных инфекцией S. aureus , если только не известно, что инфицирующий штамм восприимчив.
Распространенные (≥ 1% людей) побочные реакции на лекарства, связанные с использованием пенициллинов, включают диарею , гиперчувствительность , тошноту , сыпь , нейротоксичность , крапивницу и суперинфекцию (включая кандидоз ). Редкие побочные эффекты (0,1–1% людей) включают лихорадку , рвоту , эритему , дерматит , ангионевротический отек , судороги (особенно у людей с эпилепсией ) и псевдомембранозный колит . [35] Пенициллин также может вызывать сывороточную болезнь или реакцию, подобную сывороточной болезни, у некоторых людей. Сывороточная болезнь — это реакция гиперчувствительности III типа , которая возникает через одну-три недели после воздействия лекарств, включая пенициллин. Это не истинная лекарственная аллергия, потому что аллергии являются реакциями гиперчувствительности I типа , но повторное воздействие вызывающего агента может привести к анафилактической реакции. [36] [37] Аллергия возникает у 1–10% людей, проявляясь в виде кожной сыпи после воздействия. Анафилаксия , опосредованная IgE , возникает примерно у 0,01% пациентов. [38] [35]
Боль и воспаление в месте инъекции также распространены при парентеральном введении бензатина бензилпенициллина, бензилпенициллина и, в меньшей степени, прокаина бензилпенициллина. Это состояние известно как ливедоидный дерматит или синдром Николау. [39] [40]
Термин « пенам » используется для описания общего скелета ядра члена пенициллинов. Это ядро имеет молекулярную формулу RC 9 H 11 N 2 O 4 S, где R — это переменная боковая цепь, которая отличает пенициллины друг от друга. Ядро пенама имеет молярную массу 243 г/моль, при этом более крупные пенициллины имеют молярную массу около 450 — например, клоксациллин имеет молярную массу 436 г/моль. 6-APA (C 8 H 12 N 2 O 3 S) образует основную структуру пенициллинов. Он состоит из закрытого дипептида, образованного конденсацией L -цистеина и D -валина . Это приводит к образованию β-лактамных и тиазолидиновых колец. [41]
Ключевой структурной особенностью пенициллинов является четырехчленное β-лактамное кольцо; эта структурная часть необходима для антибактериальной активности пенициллина. β-лактамное кольцо само по себе слито с пятичленным тиазолидиновым кольцом. Слияние этих двух колец делает β-лактамное кольцо более реактивным, чем моноциклические β-лактамы, поскольку два слитых кольца искажают амидную связь β-лактама и, следовательно, устраняют резонансную стабилизацию, обычно присутствующую в этих химических связях. [42] Боковая цепь ацильной стороны, присоединенная к β-лактамному кольцу. [43]
Различные β-лактамные антибиотики были получены в результате химической модификации структуры 6-APA во время синтеза, в частности, путем химических замен в ацильной боковой цепи. Например, первый химически измененный пенициллин, метициллин, имел замены метоксигруппами в положениях 2' и 6' бензольного кольца 6-APA из пенициллина G. [41] Это различие делает метициллин устойчивым к активности β-лактамазы , фермента, благодаря которому многие бактерии естественным образом невосприимчивы к пенициллинам. [44]
Пенициллин может легко проникать в бактериальные клетки в случае грамположительных видов . Это происходит потому, что грамположительные бактерии не имеют внешней клеточной мембраны и просто заключены в толстую клеточную стенку . [45] Молекулы пенициллина достаточно малы, чтобы проходить через пространства гликопротеинов в клеточной стенке. По этой причине грамположительные бактерии очень восприимчивы к пенициллину (что впервые было подтверждено открытием пенициллина в 1928 году [46] ). [47]
Пенициллин или любая другая молекула проникает в грамотрицательные бактерии другим способом. У бактерий более тонкие клеточные стенки, но внешняя поверхность покрыта дополнительной клеточной мембраной, называемой внешней мембраной. Внешняя мембрана представляет собой липидный слой ( липополисахаридная цепь), который блокирует прохождение водорастворимых ( гидрофильных ) молекул, таких как пенициллин. Таким образом, она действует как первая линия защиты от любого токсичного вещества, что является причиной относительной устойчивости к антибиотикам по сравнению с грамположительными видами. [48] Но пенициллин все еще может проникать в грамотрицательные виды, диффундируя через водные каналы, называемые поринами (белки внешней мембраны), которые распределены среди жирных молекул и могут переносить питательные вещества и антибиотики в бактерии. [49] Порины достаточно велики, чтобы обеспечить диффузию большинства пенициллинов, но скорость диффузии через них определяется конкретным размером молекул препарата. Например, пенициллин G большой и проникает через порины медленно; в то время как ампициллин и амоксициллин меньшего размера диффундируют гораздо быстрее. [50] Напротив, большой ванкомицин не может проходить через порины и, таким образом, неэффективен для грамотрицательных бактерий. [51] Размер и количество поринов различны у разных бактерий. В результате двух факторов — размера пенициллина и порина — грамотрицательные бактерии могут быть невосприимчивы или иметь различную степень восприимчивости к определенному пенициллину. [52]
Пенициллин убивает бактерии, ингибируя завершение синтеза пептидогликанов , структурного компонента клеточной стенки бактерий . Он специфически ингибирует активность ферментов, которые необходимы для сшивания пептидогликанов на заключительном этапе биосинтеза клеточной стенки. Он делает это, связываясь с пенициллинсвязывающими белками с β-лактамным кольцом, структурой, обнаруженной в молекулах пенициллина. [54] [55] Это приводит к ослаблению клеточной стенки из-за меньшего количества поперечных связей и означает, что вода неконтролируемо поступает в клетку, поскольку она не может поддерживать правильный осмотический градиент. Это приводит к лизису клетки и ее смерти.
Бактерии постоянно реконструируют свои пептидогликановые клеточные стенки, одновременно создавая и разрушая части клеточной стенки по мере роста и деления. На последних стадиях биосинтеза пептидогликана образуется пентапептид уридиндифосфат- N -ацетилмурамовой кислоты (UDP-MurNAc), в котором четвертая и пятая аминокислоты являются D -аланил- D -аланином. Перенос D -аланина осуществляется (катализируется) ферментом DD - транспептидазой ( пенициллинсвязывающие белки являются таким типом). [50] Структурная целостность бактериальной клеточной стенки зависит от перекрестного связывания UDP-MurNAc и N -ацетилглюкозамина. [56] Пенициллин и другие β-лактамные антибиотики действуют как аналог D -аланина- D -аланина (дипептида) в UDP-MurNAc из-за конформационного сходства. Затем DD -транспептидаза связывает четырехчленное β-лактамное кольцо пенициллина вместо UDP-MurNAc. [50] В результате DD -транспептидаза инактивируется, блокируется образование поперечных связей между UDP-MurNAc и N - ацетилглюкозамином, в результате чего возникает дисбаланс между образованием и деградацией клеточной стенки, что приводит к быстрой гибели клетки. [57]
Ферменты, которые гидролизуют поперечные связи пептидогликана, продолжают функционировать, даже если те, которые образуют такие поперечные связи, не работают. Это ослабляет клеточную стенку бактерии, и осмотическое давление становится все более некомпенсированным, что в конечном итоге приводит к гибели клетки ( цитолизу ). Кроме того, накопление предшественников пептидогликана запускает активацию гидролаз и аутолизинов бактериальной клеточной стенки, которые далее переваривают пептидогликаны клеточной стенки. Небольшой размер пенициллинов увеличивает их эффективность, позволяя им проникать на всю глубину клеточной стенки. Это контрастирует с гликопептидными антибиотиками ванкомицином и тейкопланином , которые оба намного больше пенициллинов. [58]
Грамположительные бактерии называются протопластами , когда они теряют свои клеточные стенки. Грамотрицательные бактерии не теряют свои клеточные стенки полностью и называются сферопластами после обработки пенициллином. [53]
Пенициллин проявляет синергический эффект с аминогликозидами , поскольку ингибирование синтеза пептидогликана позволяет аминогликозидам легче проникать через клеточную стенку бактерий, что позволяет им нарушать синтез бактериального белка внутри клетки. Это приводит к снижению MBC для восприимчивых организмов. [59]
Пенициллины, как и другие β -лактамные антибиотики, блокируют не только деление бактерий, включая цианобактерии , но и деление цианелл, фотосинтетических органелл глаукофитов и деление хлоропластов бриофитов . Напротив , они не оказывают никакого влияния на пластиды высокоразвитых сосудистых растений . Это подтверждает эндосимбиотическую теорию эволюции деления пластид у наземных растений. [60 ]
Некоторые бактерии вырабатывают ферменты, которые разрушают β-лактамное кольцо, называемые β-лактамазами , которые делают бактерии устойчивыми к пенициллину. Поэтому некоторые пенициллины модифицируются или назначаются с другими препаратами для использования против бактерий, устойчивых к антибиотикам, или у пациентов с ослабленным иммунитетом. Использование клавулановой кислоты или тазобактама, ингибиторов β-лактамазы, вместе с пенициллином придает пенициллину активность против бактерий, продуцирующих β-лактамазу. Ингибиторы β-лактамазы необратимо связываются с β-лактамазой, не давая ей разрушать бета-лактамные кольца на молекуле антибиотика. Альтернативно, флуклоксациллин является модифицированным пенициллином, который обладает активностью против бактерий, продуцирующих β-лактамазу, благодаря ацильной боковой цепи, которая защищает бета-лактамное кольцо от β-лактамазы. [38]
Пенициллин имеет низкую связываемость с белками в плазме. Биодоступность пенициллина зависит от типа: пенициллин G имеет низкую биодоступность, ниже 30%, тогда как пенициллин V имеет более высокую биодоступность, между 60 и 70%. [61]
Пенициллин имеет короткий период полураспада и выводится через почки. [61] Это означает, что его необходимо вводить не менее четырех раз в день, чтобы поддерживать адекватный уровень пенициллина в крови. Поэтому ранние руководства по применению пенициллина рекомендовали делать инъекции пенициллина каждые три часа, а дозирование пенициллина описывалось как нечто похожее на попытку наполнить ванну с вынутой пробкой. [8] Это больше не требуется, поскольку гораздо большие дозы пенициллина дешевы и легкодоступны; однако некоторые специалисты рекомендуют использовать непрерывные инфузии пенициллина по этой причине. [62]
Когда Александр Флеминг открыл неочищенный пенициллин в 1928 году, одним из важных наблюдений, которые он сделал, было то, что многие бактерии не были подвержены воздействию пенициллина. [46] Это явление было осознано Эрнстом Чейном и Эдвардом Абрахамом, когда они пытались точно определить пенициллин. В 1940 году они обнаружили, что невосприимчивые бактерии, такие как Escherichia coli, вырабатывают специфические ферменты, которые могут расщеплять молекулы пенициллина, тем самым делая их устойчивыми к антибиотику. Они назвали фермент пенициллиназой . [63] Пенициллиназа теперь классифицируется как член ферментов, называемых β-лактамазами. Эти β-лактамазы естественным образом присутствуют во многих других бактериях, и многие бактерии вырабатывают их при постоянном воздействии антибиотиков. У большинства бактерий устойчивость может быть обусловлена тремя различными механизмами — снижением проницаемости у бактерий, снижением связывающей аффинности пенициллинсвязывающих белков (PBP) или разрушением антибиотика посредством экспрессии β-лактамазы. [64] При использовании любого из этих методов бактерии обычно развивают устойчивость к различным антибиотикам, явление, называемое множественной лекарственной устойчивостью .
Фактический процесс механизма резистентности может быть очень сложным. В случае сниженной проницаемости у бактерий механизмы различаются между грамположительными и грамотрицательными бактериями. У грамположительных бактерий блокировка пенициллина обусловлена изменениями в клеточной стенке. Например, резистентность к ванкомицину у S. aureus обусловлена дополнительным синтезом пептидогликана, который делает клеточную стенку намного толще, препятствуя эффективному проникновению пенициллина. [47] Устойчивость у грамотрицательных бактерий обусловлена мутационными изменениями в структуре и количестве поринов. [52] У бактерий, таких как Pseudomonas aeruginosa , наблюдается снижение количества поринов; тогда как у бактерий, таких как виды Enterobacter , Escherichia coli и Klebsiella pneumoniae , существуют модифицированные порины, такие как неспецифические порины (такие как группы OmpC и OmpF), которые не могут транспортировать пенициллин. [65]
Устойчивость из-за изменений PBP сильно варьируется. Распространенный случай обнаружен у Streptococcus pneumoniae , где есть мутация в гене PBP, и мутантные PBP имеют сниженную аффинность связывания с пенициллинами. [66] Существует шесть мутантных PBP в S. pneumoniae , из которых PBP1a, PBP2b, PBP2x и иногда PBP2a отвечают за сниженную аффинность связывания. [67] S. aureus может активировать скрытый ген, который производит другой PBP, PBD2, который имеет низкую аффинность связывания с пенициллинами. [68] Существует другой штамм S. aureus, называемый метициллин-резистентным S. aureus (MRSA), который устойчив не только к пенициллину и другим β-лактамам, но и к большинству антибиотиков. Бактериальный штамм развился после введения метициллина в 1959 году. [44] В MRSA мутации в генах ( система mec ) для PBP производят вариант белка, называемого PBP2a (также называемый PBP2'), [69] при создании четырех нормальных PBP. PBP2a имеет плохое сродство к связыванию с пенициллином, а также не имеет активности гликозилтрансферазы, необходимой для полного синтеза пептидогликана (который осуществляется четырьмя нормальными PBP). [67] В Helicobacter cinaedi существует несколько мутаций в различных генах, которые создают варианты PBP. [70]
Ферментативное разрушение β-лактамазами является наиболее важным механизмом устойчивости к пенициллину [71] и описывается как «наибольшая угроза использованию [пенициллинов]». [72] Это был первый обнаруженный механизм устойчивости к пенициллину. Во время экспериментов по очистке и тестированию биологической активности пенициллина в 1940 году было обнаружено, что E. coli невосприимчива. [73] Причина была обнаружена как продукция фермента пенициллиназы (следовательно, первой известной β-лактамазы) в E. coli , которая легко разрушает пенициллин. [63] Существует более 2000 типов β-лактамаз, каждый из которых имеет уникальную аминокислотную последовательность и, следовательно, ферментативную активность. [72] Все они способны гидролизовать β-лактамные кольца, но их точные целевые участки различны. [74] Они секретируются на поверхности бактерий в больших количествах у грамположительных бактерий, но в меньших количествах у грамотрицательных видов. Поэтому при смешанной бактериальной инфекции грамположительные бактерии могут защищать в противном случае восприимчивые к пенициллину грамотрицательные клетки. [50]
У P. aeruginosa существуют необычные механизмы , при которых может наблюдаться резистентность, опосредованная биопленкой, и образование персистирующих клеток, устойчивых к множеству лекарственных средств . [75]
Начиная с конца 19 века появились сообщения об антибактериальных свойствах плесени Penicillium , но ученые не могли определить, какой процесс вызывал этот эффект. [76] Шотландский врач Александр Флеминг из больницы Святой Марии в Лондоне (ныне часть Имперского колледжа ) был первым, кто показал, что Penicillium rubens обладает антибактериальными свойствами. [77] 3 сентября 1928 года он случайно заметил, что грибковое загрязнение бактериальной культуры ( Staphylococcus aureus ), по-видимому, убивает бактерии. Он подтвердил это наблюдение новым экспериментом 28 сентября 1928 года. [78] [79] Он опубликовал свой эксперимент в 1929 году и назвал антибактериальное вещество (грибковой экстракт) пенициллином. [46]
CJ La Touche идентифицировал грибок как Penicillium rubrum (позже переклассифицированный Чарльзом Томом как P. notatum и P. chrysogenum , но позже исправленный как P. rubens ). [80] Флеминг выразил первоначальный оптимизм относительно того, что пенициллин будет полезным антисептиком из-за его высокой эффективности и минимальной токсичности по сравнению с другими антисептиками того времени, и отметил его лабораторную ценность при выделении Bacillus influenzae (теперь называемой Haemophilus influenzae ). [81] [82]
Флеминг никого не убедил в важности своего открытия. [81] Во многом это произошло потому, что пенициллин было так трудно выделить, что его разработка в качестве лекарства казалась невозможной. Предполагается, что если бы Флемингу удалось заинтересовать других ученых своей работой, пенициллин, возможно, был бы разработан на несколько лет раньше. [81]
Важность его работы была признана путем помещения его в качестве Международного исторического химического памятника в Музее лаборатории Александра Флеминга в Лондоне 19 ноября 1999 года. [83]
В 1930 году Сесил Джордж Пейн, патологоанатом Королевской больницы в Шеффилде , успешно вылечил офтальмию новорожденных , гонококковую инфекцию у младенцев, с помощью пенициллина (экстракта грибка) 25 ноября 1930 года. [84] [85] [86]
В 1940 году австралийский ученый Говард Флори (позже барон Флори) и группа исследователей ( Эрнст Чейн , Эдвард Абрахам , Артур Дункан Гарднер , Норман Хитли , Маргарет Дженнингс , Джин Орр-Юинг и Артур Гордон Сандерс) в Школе патологии сэра Уильяма Данна Оксфордского университета добились прогресса в создании концентрированного пенициллина из грибкового культурального бульона, который продемонстрировал бактерицидное действие как in vitro , так и in vivo . [87] [88] В 1941 году они лечили полицейского Альберта Александра с тяжелой инфекцией лица; его состояние улучшилось, но затем запасы пенициллина закончились, и он умер. Впоследствии несколько других пациентов были успешно вылечены. [89] В декабре 1942 года выжившие после пожара в Коконат-Гроув в Бостоне стали первыми пациентами с ожогами, которых успешно вылечили пенициллином. [90]
Первое успешное использование чистого пенициллина произошло в 1942 году, когда Флеминг вылечил Гарри Ламберта от инфекции нервной системы (стрептококковый менингит ), которая в противном случае была бы смертельной. К тому времени команда Оксфорда могла произвести лишь небольшое количество. Флори охотно отдал единственный доступный образец Флемингу. Ламберт показал улучшение уже на следующий день лечения и полностью выздоровел в течение недели. [91] [92] Флеминг опубликовал свое клиническое испытание в The Lancet в 1943 году. [7] После медицинского прорыва британский военный кабинет 5 апреля 1943 года создал Комитет по пенициллину, что привело к проектам по массовому производству . [93] [94]
Когда медицинское применение было установлено, команда Оксфорда обнаружила, что невозможно производить пригодные для использования количества в их лаборатории. [89] Не сумев убедить британское правительство, Флори и Хитли отправились в США в июне 1941 года со своими образцами плесени, чтобы заинтересовать правительство США в крупномасштабном производстве. [95] Они обратились в Северную региональную исследовательскую лабораторию Министерства сельского хозяйства США (NRRL, теперь Национальный центр исследований сельскохозяйственного использования ) в Пеории, штат Иллинойс, где были созданы мощности для крупномасштабной ферментации. [96] Сразу же последовало массовое культивирование плесени и поиск лучших плесеней. [95]
14 марта 1942 года первый пациент был вылечен от стрептококкового сепсиса пенициллином американского производства компании Merck & Co. [97] Половина от общего объема поставок, произведенных в то время, была использована для лечения этой единственной пациентки, Энн Миллер. [98] К июню 1942 года американского пенициллина было достаточно для лечения десяти пациентов. [99] В июле 1943 года Совет по военному производству составил план массового распределения запасов пенициллина среди войск союзников, сражающихся в Европе. [100] Результаты исследований ферментации кукурузного экстракта в NRRL позволили Соединенным Штатам произвести 2,3 миллиона доз к моменту вторжения в Нормандию весной 1944 года. После всемирного поиска в 1943 году было обнаружено, что заплесневелая дыня на рынке Пеории, штат Иллинойс, содержала лучший штамм плесени для производства с использованием процесса кукурузного экстракта. [101] Ученый компании Pfizer Джаспер Х. Кейн предложил использовать метод глубокой ферментации для производства больших количеств пенициллина фармацевтического класса. [102] [26] : 109 Крупномасштабное производство стало результатом разработки завода по глубокой ферментации инженером-химиком Маргарет Хатчинсон Руссо . [103] В результате войны и деятельности Совета по военному производству к июню 1945 года ежегодно производилось более 646 миллиардов единиц. [100]
G. Raymond Rettew внес значительный вклад в американские военные усилия своими методами производства коммерческих количеств пенициллина, в которых он объединил свои знания о грибном мицелии с функцией сепаратора Шарплза. [104] К 1943 году лаборатория Реттью производила большую часть мирового пенициллина. Во время Второй мировой войны пенициллин сыграл важную роль в количестве смертей и ампутаций, вызванных инфицированными ранами среди войск союзников , спасая, по оценкам, 12–15% жизней. [105] Однако его доступность была серьезно ограничена сложностью производства больших количеств пенициллина и быстрым почечным клиренсом препарата, что требовало частого дозирования. Методы массового производства пенициллина были запатентованы Эндрю Джексоном Мойером в 1945 году. [106] [107] [108] Флори не запатентовал пенициллин, получив совет от сэра Генри Дейла , что это было бы неэтично. [89]
Пенициллин активно выводится, и около 80% дозы пенициллина выводится из организма в течение трех-четырех часов после приема. Действительно, в раннюю эру пенициллина препарат был настолько редким и так высоко ценился, что стало обычным собирать мочу у пациентов, проходивших лечение, чтобы пенициллин в моче можно было выделить и повторно использовать. [109] Это не было удовлетворительным решением, поэтому исследователи искали способ замедлить выведение пенициллина. Они надеялись найти молекулу, которая могла бы конкурировать с пенициллином за транспортер органической кислоты, ответственный за выведение, так что транспортер предпочтительно вывел бы конкурирующую молекулу, а пенициллин сохранился бы. Урикозурический агент пробенецид оказался подходящим. Когда пробенецид и пенициллин вводятся вместе, пробенецид конкурентно ингибирует выведение пенициллина, увеличивая концентрацию пенициллина и продлевая его активность. В конце концов, появление технологий массового производства и полусинтетических пенициллинов решило проблемы с поставками, поэтому использование пробенецида сократилось. [109] Однако пробенецид по-прежнему полезен при некоторых инфекциях, требующих особенно высоких концентраций пенициллинов. [110]
После Второй мировой войны Австралия стала первой страной, которая сделала препарат доступным для гражданского использования. В США пенициллин стал доступен широкой публике 15 марта 1945 года. [111]
Флеминг, Флори и Чейн разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1945 года за разработку пенициллина.
Химическая структура пенициллина была впервые предложена Эдвардом Абрахамом в 1942 году [87] и позднее подтверждена в 1945 году с помощью рентгеновской кристаллографии Дороти Кроуфут Ходжкин , которая также работала в Оксфорде. [112] Позднее, в 1964 году, она получила Нобелевскую премию по химии за это и другие определения структуры.
Химик Джон К. Шихан из Массачусетского технологического института (MIT) завершил первый химический синтез пенициллина в 1957 году. [113] [114] [115] Шихан начал свои исследования по синтезу пенициллина в 1948 году и в ходе этих исследований разработал новые методы синтеза пептидов , а также новые защитные группы — группы, которые маскируют реакционную способность определенных функциональных групп. [115] [116] Хотя первоначальный синтез, разработанный Шиханом, не подходил для массового производства пенициллинов, одним из промежуточных соединений в синтезе Шихана была 6-аминопенициллановая кислота (6-APA), ядро пенициллина. [113] [114] [115] [117]
6-APA был открыт исследователями из Beecham Research Laboratories (позже Beecham Group ) в Суррее в 1957 году (опубликовано в 1959 году). [118] Присоединение различных групп к «ядру» 6-APA пенициллина позволило создать новые формы пенициллинов, которые более универсальны и обладают лучшей активностью. [119]
Узкий спектр излечимых заболеваний или «спектр активности» пенициллинов, наряду с низкой активностью перорально активного феноксиметилпенициллина, привели к поиску производных пенициллина, которые могли бы лечить более широкий спектр инфекций. Выделение 6-APA, ядра пенициллина, позволило приготовить полусинтетические пенициллины с различными улучшениями по сравнению с бензилпенициллином (биодоступность, спектр, стабильность, переносимость).
Первой крупной разработкой стал ампициллин в 1961 году. Он предлагал более широкий спектр активности, чем любой из исходных пенициллинов. Дальнейшая разработка дала β-лактамазоустойчивые пенициллины, включая флуклоксациллин, диклоксациллин и метициллин. Они были значимы для своей активности против β-лактамазопродуцирующих бактериальных видов, но были неэффективны против метициллин-устойчивых штаммов Staphylococcus aureus (MRSA), которые появились впоследствии. [120]
Другим развитием линии истинных пенициллинов стали антипсевдомонадные пенициллины, такие как карбенициллин, тикарциллин и пиперациллин, полезные своей активностью против грамотрицательных бактерий. Однако полезность β-лактамного кольца была такова, что родственные антибиотики, включая мециллинамы, карбапенемы и, что наиболее важно, цефалоспорины, все еще сохраняют его в центре своих структур. [121]
Пенициллин вырабатывается путем ферментации различных видов сахара грибком Penicillium rubens . [122] Процесс ферментации производит пенициллин как вторичный метаболит , когда рост грибка подавляется стрессом. [122] Описанный ниже биосинтетический путь испытывает ингибирование по принципу обратной связи, включающее побочный продукт L -лизин, ингибирующий фермент гомоцитратсинтазу . [123]
Клетки Penicillium выращиваются с использованием метода, называемого культурой с подпиткой , в которой клетки постоянно подвергаются стрессу, который необходим для индукции производства пенициллина. В то время как использование глюкозы в качестве источника углерода подавляет ферменты биосинтеза пенициллина, лактоза не оказывает никакого эффекта, а щелочные уровни pH перекрывают эту регуляцию. Избыток фосфата , доступный кислород и использование аммония в качестве источника азота подавляют производство пенициллина, в то время как метионин может действовать как единственный источник азота/серы со стимулирующим эффектом. [124]
Биотехнологический метод направленной эволюции был применен для получения большого количества штаммов Penicillium путем мутации . Эти методы включают в себя подверженную ошибкам ПЦР , перетасовку ДНК , ITCHY и ПЦР с перекрытием цепей .
В целом, биосинтез пенициллина G (бензилпенициллина) состоит из трех основных и важных этапов.